綜合物探檢測在巖體質量等級定性與定量評價中的應用研究

劉明昌

(雅礱江流域水電開發有限公司， 成都 610051)

綜合物探檢測在巖體質量等級定性與定量評價中的應用研究

劉明昌

(雅礱江流域水電開發有限公司， 成都 610051)

我國經濟高速發展極大地帶動了西部水電工程資源的開發，在水電工程建設中，樞紐區巖體質量等級的評價是工程建設的基礎，系統、準確評價壩址區巖體質量等級對工程建設具有指導意義。首先采用地震層析成像法、單孔聲波法、鉆孔變模法等物探方法的測試結果,對錦屏一級水電站壩基巖體質量等級進行定性和定量分析研究，并建立其相互關系；再運用鉆孔全景圖像成果驗證了巖體分級的合理性。研究成果表明，綜合物探方法可定性和定量評價水電站巖體質量等級，對類似工程具有可借鑒性。

綜合物探； 巖體質量等級； 單孔聲波； 地震層析成像

0 引言

近年來，中國經濟的高速發展，極大地帶動了資源的開發、交通體系的完善和城市化進程，從而全面帶動了基礎設施建設活動，工程規模大，建設速度快(如南水北調、鐵路縱橫工程、西部雅礱江、大渡河、金沙江、瀾滄江及怒江上面的巨型水電工程)。巨(大)型工程的建設隨之也帶來了眾多工程質量安全隱患，尤其是以西部水電工程為典型，樞紐區工程建筑物設計等級高，壩區工程地質條件復雜，水保環保要求嚴，工程安全要求等級高(如錦屏一級水電站裝機3 600 MW，為混凝土雙曲拱壩，壩高305 m；大崗山水電站總裝機容量2 600 MW，壩高210 m；溪洛渡水電站總裝機容量12 600 MW，壩高278 m)。這些造福人類的百年工程，對超高的壩址的長期穩定性和耐久性提出了極高的要求，因此，系統、準確地評價壩址區巖體質量等級顯得尤為重要[1]。

針對上述工程地質問題，引進綜合工程物探檢測方法能夠切實、高效、科學地解決上述問題[2]。

1)系統布置地震波層析成像檢測工作，大面積對巖體質量等級進行定性分析。

2)對大面積地震層析成像成果開展系統性單孔聲波測試工作，以區域性單孔聲波測試成果對地震層析成像成果進行系統復核。

3)針對差異性巖體質量等級區域，系統布置少量鉆孔全景圖像測試及鉆孔變模測試工作，歸納、總結各差異性區域單孔聲波、鉆孔全景圖像及鉆孔變模值的特征，形成差異性巖級與單孔聲波、鉆孔全景圖像及鉆孔變模的對應關系，從而建立巖體質量等級物探指標的量化標準。

上述系統綜合物探檢測應用于巖體質量等級評價措施中，能夠優質、高效地解決巖體質量等級評價工作，而且能夠為后續工程處理過程提供定量的技術指標；同時應用上述系統物探檢測方法具有以下優勢：①檢測工作開展便利，高效，在空間和時域上均避免了對施工的干擾；②檢測孔布置靈活，可根據新開挖揭示情況及時調整孔位，客觀評價新開挖揭示地質缺陷；③多種物探檢測方法相結合，資料相互驗證，成果資料客觀、科學；④檢測成果可系統、全面評價工區巖體質量等級[3-4]。筆者以錦屏一級水電站左岸基礎處理工程巖體質量綜合物探檢測為例，闡述系統物探在巖體質量等級劃分的作用。

1 常用巖體質量等級分類方法概述

隨著工程實踐的不斷加強，圍巖分類原則和系統也在不斷地改進和完善。目前，從單因素分類轉變為綜合的多因素分類、從定性分析過渡到定量與定性相結合的研究，已經成為圍巖分類的發展趨勢。而國內、外應用最普遍的分類方法，仍然是Barton的Q系統[7]分類、Bieniawski的地質力學權值RMR分類、Palmstrom[5-6]提出的RMi(Rock mass index)法、E. Hoek的GSI系統等。我國發布的《工程巖體分級標準》(GB 50218-94)(簡稱BQ分類)、《水利發電工程地質勘察規范》(GB 50287-2006)對圍巖工程地質分類(簡稱HC分類)做出了規定[9]。

Q法由挪威巖石力學專家Barton等[10]依據北歐地區212個地下巖體洞室地質資料，首次提出由于其采用全定量評價模式，一經推出就得到廣泛關注與應用。之后Barton等[10]對其適用范圍進行不斷擴展，現Q法已成為地下巖體工程巖體質量評價的重要工具。

RMR(Rock mass rating)法[6]由南非采礦地質學家Bieniawski[11]最初以南非300多條礦井巷道記錄為經驗基礎，此后在世界范圍內不斷擴充數據，1976年推出第1版后，在世界范圍內得到廣泛傳播，此后，Bieniawski對RMR參數進行了多次修改，最終形成目前應用的RMR—89版本。

RMi(Rock Mass index)法[6]由挪威學者A.Palmstrom[5-6]提出，其以結構面參數對巖石單軸抗壓強度的折減來評價巖體強度特性，2009年A.Palmstrom[5-6]對RMi法的圍巖分類體系進行了優化，充分考慮了地下水、地應力場、軟弱夾層等對圍巖質量的影響，同時將其評級標準予以進一步細化，使之評價結果更吻合工程實際。目前，RMi法開始在國際上得以重視，并逐漸得以推廣。

GSI(Geological StrengthIndex)法[6]由加拿大學者E.Hoek等[12]提出，其目的在于對巖體結構地質特征評價，實現與Hoek-Brown準則的結合，進而對巖體穩定性評價、巖體力學參數預估、巖體變形特征的計算等，由于其與Hoek-Brown準則結合緊密，現其主要作為準則中的一個重要參數，對待評巖體結構地質特征予以評價，故其側重點和適用范圍較其他圍巖分類方法存在較大不同。

BQ法[13](GB50218-94《工程巖體分級標準》)由我國水利部1994年主編，以唯一適用于各類型巖石工程的評價方法，在全國范圍進行推廣使用，現已在各巖體行業得到廣泛應用，并取得了較高的認可。現結合國內多項工程的BQ法評價結果，總結得到BQ法在應用過程中需關注以下適用條件：

1)BQ法僅針對結構面呈隨機分布特征的巖體進行評價，對規模較大、貫通性較好的軟弱結構面或帶，應當進行專門研究。

2)BQ法不適用于具有特殊變形、破壞特性的巖類，如具有膨脹性強的巖類、易溶蝕的鹽巖等。

3)BQ法對開挖跨度>20 m的大型洞室，應保持謹慎態度，建議采用與多種評價方法結合辦法。

4)BQ法的定性評價與定量評價結果局部存在不一致現象時，應根據現場實際開挖情況綜合選取。 HC法[14](GB50287-2006)作為水電系統行業規范，由中國電力企業聯合會主編，最新于2006年修編。

2 工程概況

錦屏一級水電站為雙曲拱壩(圖1)，最大壩高305 m，電站裝機3 600 MW，安裝 6臺單機容量600 MW的發電機組。電站左岸1 670 m～1 885 m高程段設5層為基礎處理施工廊道，左岸基礎處理范圍水平埋深約400 m，垂直范圍約300 m，上下游區域約400 m。

圖1 錦屏一級水電站鳥瞰圖Fig.1 Aerial view of Jinping hydropower Station

3 巖體質量等級定性分析成果

以錦屏一級水電站左岸基礎處理工程1 785 m高程為例，以地質宏觀巖體質量等級判定為基礎，系統布置了地震層析成像及單孔聲波測試，分析、整理其檢測成果與勘測地質資料對比，總結綜合物探檢測在巖體質量等級評價過程中的定性化作用。

3.1 試驗區工程地質條件

1 785 m高程巖性為主要T2-3Z層中厚～厚層狀大理巖，發育斷層f5和煌斑巖脈(X)及多條小斷層、多條溶蝕裂隙、深裂縫(帶)(圖2)。

圖2 1785 m高程巖體分級分區示意圖Fig.2 1785 m elevation rock mass zoning map

f5斷層：破碎帶寬為4 m～5 m，整體產狀N40°～50°E/SE∠70°～75°，破碎帶主要成分為碎裂巖、碎塊巖及糜棱角礫巖，巖體性狀差。

煌斑巖(X)：巖脈寬為2 m～3 m，整體產狀N40°～60°E/SE∠60°～70°，巖脈強～弱風化，強風化帶厚為10 cm～30 cm，主要分布于上下盤兩側。巖脈裂面銹染，風化。

小斷層寬為5 cm～30 cm，主要走向近EW，部分為NE向，破碎帶成為主要為碎裂角礫巖及糜棱巖，強風化，主要發育于砂板巖中。

深裂縫主要為Ⅳ～Ⅲ級，該試區深裂縫呈條帶狀發育，部分單條發育。據1 785 m高程巖體整體質量情況，可大致劃分為5個區(圖2)：①區寬為10 m～15 m，呈帶狀分布于斷層f5和f8兩側；②區寬為8 m～15 m，呈帶狀分布于煌斑巖脈及兩側；③區寬約10 m，與煌斑巖脈近平行分布于山里側；④區長約60 m，寬約10 m的條帶，溶蝕裂隙、深裂縫發育，位于帷幕洞于施工次通道交叉部位；⑤區寬約10 m，平行于煌斑巖脈，距煌斑巖脈山里側方向以里50 m～70 m。

3.2 試驗區地震層析成像成果

1 785 m高程完成抗力體巖體質量地震波層析成像檢測6組，分別位于固結灌漿灌漿洞、抗剪傳力洞、帷幕洞、壩基排水洞間，地震波層析成像檢測成果見圖3。

圖3 錦屏一級水電站1 785 m高程 地震層析成像檢測成果圖Fig.3 1785 m elevation seismic tomography detection results for Jinping hydropower Station

由圖3可以看出，巖體波速低，巖體質量差，波速小于3 500 m/s測點的比例40%。分4個低波速區：1區與f5斷層呈條帶狀分布，稍有偏離；2區與煌斑巖脈及其兩側Ⅳ2級巖體分布趨勢一致，寬度稍大，巖體地震波波速為2 000 m/s～3 500 m/s；3區顯示山里側與煌斑巖脈平行發育的Ⅳ2巖體；4區位于施工次通道山外側與帷幕洞交叉部位。以上低波速區域與1 785 m高程巖體質量等級分區趨勢基本一致。

3.3 試驗區單孔聲波波速成像成果

1 785 m高程抗力體內固結灌漿平洞在左、右邊墻各布置1排測試孔進行單孔聲波連續測試，測試孔間距為1.5 m；聲波測試孔布置在離底板高約3 m處，測試孔為下斜孔，下斜5 m～100 m，孔徑>50 mm，孔深為8 m及12 m間排布置。分析、整理1 785 m高程單孔聲波測試成果，形成1 785 m高程單孔聲波波速成像成果圖見圖4。

圖4 錦屏一級水電站1 785 m高程 單孔聲波波速成像成果圖Fig.4 1 785 m elevation single hole acoustic wave velocity imaging results

由圖4可以看出，巖體低波速區分布較多，顯示該層巖體質量較差，總體呈規律性分布，顯示4個低波速區域：1區呈條帶狀，與f5斷層分布趨勢一致，巖體單孔聲波波速為3 000 m/s～4 000 m/s；2區呈條帶狀，與煌斑巖脈及其兩側Ⅳ2級巖體分布趨勢一致，巖體單孔聲波波速為2 500 m/s～4 000 m/s；3區顯示山里側與煌斑巖脈平行發育的Ⅳ2巖體基本一致；4區位于施工次通道山外側與帷幕洞交叉部位。以上低波速區域與巖體質量等級劃分區位置基本一致。

4 巖體質量等級定量分析成果

針對1 785 m高程區域性定性分析成果，對差異巖體質量等級區域進行區域性單孔聲波波速、鉆孔全景圖像及鉆孔變形模量模分析、整理，形成各級巖體巖級與物探檢測指標(聲波、鉆孔變模)的對應關系，從而建立巖體質量等級物探指標的量化標準。

4.1 各級巖體物探指標特征

Ⅱ級巖體波速曲線總體變幅小，僅局部出現小鋸齒狀低波速的測點，說明巖體成分較均勻(圖5)；Ⅱ級鉆孔孔壁規則，平整、光滑；裂隙不發育，圖像表現為縫隙少，局部裂隙輕微銹染，呈現淺褐黃色，總體表現為新鮮巖體的色調(圖6)。

Ⅲ1級巖體波速曲線呈稍明顯鋸齒狀，局部小段變幅較大，反應巖體整體均一性總體較好，局部較差(圖7)；Ⅲ1級巖體孔形完好，無明顯空腔(巖體與砼接觸帶空腔例外)；孔壁較平整、光滑，裂隙較發育，呈現一定量的縫隙，裂隙張開不明顯，總體表現為新鮮巖體的色調(圖8)。

Ⅲ2級巖體聲波測試曲線出現一定比例大跳躍低波速帶，巖體裂隙發育，裂隙張開明顯(圖9)；Ⅲ2級巖體裂隙發育，裂隙明顯張開，巖體弱風化(弱卸荷)～微新鮮；整體巖體完整性差(圖10)。

Ⅳ2級巖體波速曲線類似大方波形式呈現；出現明顯段長大于1 m的低波速帶，低波速帶波速3 000 m/s左右(圖11)；Ⅳ2級巖體孔壁粗糙，伴隨明晰那掉塊跡象，裂隙發育，裂隙多伴隨夾泥(填充泥膜)、銹染跡象，巖體較破碎～完整性差(圖12)。

圖5 II級巖體典型單孔聲波曲線Fig.5 Typical single hole acoustic curves for Ⅱ rock mass

圖6 Ⅱ級巖體典型鉆孔全景圖像Fig.6 Typical borehole panoramic image for Ⅱ rock mass

圖7 Ⅲ1級巖體典型單孔聲波曲線Fig.7 Typical single hole acoustic curves for Ⅲ1 rock mass

圖8 Ⅲ1級巖體典型鉆孔全景圖像Fig.8 Typical borehole panoramic image for Ⅲ1 rock mass

圖9 Ⅲ2級巖體典型單孔聲波曲線Fig.9 Typical single hole acoustic curves for Ⅲ2 rock mass

圖10 Ⅲ2級巖體典型鉆孔全景圖像Fig.10 Typical borehole panoramic image for Ⅲ2 rock mass

圖11 IV2級巖體典型單孔聲波曲線Fig.11 Typical single hole acoustic curves for IV2 rock mass

圖12 IV2級巖體典型鉆孔全景圖像Fig.12 Typical borehole panoramic image for IV2 rock mass

4.2 巖體質量等級物探指標的定量化

根據差異性巖體單孔聲波波速及鉆孔變模值的特征，綜合分析、整理左岸基礎處理工程巖體聲波及變模值成果，形成左岸基礎處理工程各質量等級巖體與物探檢測指標的對應關系見表1。

4.3 巖體質量等級物探指標的相關關系研究

4.3.1 單孔聲波與對穿聲波

由于單孔聲波、對穿聲波在巖體中的穿透距離不同及巖體各向異性，導致兩種測試方法對裂隙反映稍有差異，整理壩區工程物探資料可得對穿聲波Vcp與單孔聲波Vp的相關關系為式(1)。

Vp=0.8568×Vcp+955.81

(1)

單孔聲波速度與對穿聲波速度間的對應關系表2。

4.3.2 鉆孔變形模量與單孔聲波

對壩區巖體的單孔聲波Vp、鉆孔變模E0k篩選后形成Eok-Vp數據對，作出散點圖，形成鉆孔變模與單孔聲波關系圖?；貧w形成回歸公式為式(2)。

Eok=0.001×Vp4.087

(2)

4.3.3 巖體變形模量與單孔聲波

利用壩區灌排洞完成的承壓板成果和配套聲波測試數據，得到巖體承壓板變模值Eo50與單孔聲波Vp相關關系為式(3)。

Eo50=0.00084×Vp5.84406

(3)

4.3.4 承壓板變形模量與鉆孔變形模量

利用承壓板變模(Eo50)和單孔聲波(Vp)、鉆孔變模(Eok)和單孔聲波(Vp)的關系，運用各巖級單孔聲波的分級界線分別計算變形模量(Eo50)值與巖體鉆孔變模(Eok)值，對比成果見表3。

表1 錦屏一級水電站左岸基礎處理工程各級巖體與物探檢測指標對應關系表

表2 單孔聲波速度與對穿聲波速度的比較

表3 巖體鉆孔變模Eok值與承壓板變形模量Eo50值關系對比表

5 結論

通過綜合物探檢測在錦屏一級水電站壩址區巖體質量等級評價過程中，能夠系統、準確地對壩址區巖體質量等級進行區域性定性評價，在定性評價的基礎上，針對差異性質量等級巖體進行系統分析、整理，形成差異性巖級與單孔聲波、鉆孔全景圖像及鉆孔變模的對應關系，從而建立巖體質量等級物性指標的量化標準,構建完整質量評價體系，為后續類似工程提供巖體質量等級劃分的思路，對工程建設意義重大。

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Qualitativeandquantitativeeffectsofrockmassgradeevaluationusingsystematicgeophysicalprospecting

LIU Mingchang

(Yalong River Hydropower Development Company, Ltd.,Chengdu 610051 China)

The hydropower resources have been improved with the development of China's economy in western China. In the process of hydropower project construction, it is very important to evaluate the rock mass quality in the dam site. The systematic and accurate evaluation of rock mass quality in the dam site area is then of great significance to guide the construction of the project and ensure the quality of the project. The qualitative and quantitative study on the rock mass quality of the dam foundation of Jinping hydropower station is carried out by using the methods of seismic tomography, single hole acoustic wave and borehole variable mode, and establishment of their relationship. We verify the rationality of rock mass classification using borehole panoramic image. The research results show that the integrated geophysical exploration can be used to evaluate the rock mass quality of hydropower station,and it can be used for reference in similar projects.

integrated geophysical exploration; rock mass grade; single hole acoustic wave; seismic tomography

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.05.15

2017-04-18 改回日期： 2017-05-17

劉明昌(1974-)，男，高級工程師，主要從事水電工程建設及運行管理工作，E-mail：445987874@qq.com。

1001-1749(2017)05-0677-07